debitarea cu plasma a profilelor
DESCRIPTION
Debitarea Cu Plasma a ProfilelorTRANSCRIPT
Debitarea cu plasma a profilelor
1) Cuprins
1.1 Introducere
1.2 Necesitate
1.3 Importanta
1.4 Avantaje
1.5 Dezavantaje
2) Stadiul actual al cercetarilor privind realizarea cercetarilor privind debitarea cu plasma a profilelor prin procedeele clasice daca este posibila.
3) Stadiul actual al cercetarilor privind realizarea cercetarilor privind debitarea cu plasma a profilelor prin procedeul ( cele special/e schema de principiu, avantaje, dezavantaje, echipamente folosite, proces tehnologic, proceduri, posibilitati de utilizare, optimizare proces)
4) Contributii privind realizarea cercetari privind debitarea cu plasma a profilelor
4.1 Contributii teoretice
4.2 Contributii experimentale proprii
5) Concluzii finale
6)Bibliografie
1
1) Cuprins
1.1 Introducere
Debitarea este operatia tehnologica de separare a semifabricatului in decat cu forme si dimensiuni bine stabilite.
Semifabricatele care se pot debita: table; benzi; profile; placi; sarme; tevi.
Debitarea se poate realiza: manual mecanic (prin aschiere sau forfecare) termic (cu gaze,electric, oxielectric, arc-aer,prin frictiune, cu plasma) prin erodare (electroerodare si hidroerodare)
Debitarea cu plasma a profilelor este un proces care este folosit pentru a taia profile din oţel şi alte metale de grosimi diferite (sau, uneori, alte materiale), utilizand plasma. În acest proces, un gaz inert (în unele unitaţi, aer comprimat) este suflat cu viteza mare dintr-un ajutaj, în acelaşi timp, un arc electric este format prin care gazul de la duza la suprafaţa de taiat, transformand o parte din gaz in plasma. Plasma este suficienta de fierbinte pentru a topi metalul ce trebuie taiat şi se deplaseaza suficient de rapid pentru a sufla metal topit departe de taietura.
Plasma este a patra stare a materiei.Este o substanta asemanatoare celei gazoase fiind un amestec de electroni, ioni pozitivi si particule neutre (atomi sau molecule) care se gasesc intr-o continua si dezordonata miscare.Concentratiile electronilor si ionilor sunt aporximativ egale, astfel ca din punct de vedere macroscopic plasma este electric neutra.
Plasma este caracterizata printr-o conductivitate electrica mare, interactioneaza cu campurile electrice si magnetice si este o sursa de radiatii electromagnetice cu spectru larg (infrarosu, vizibil si ultraviolet). Gradul de ionizare, natura mediului gazos si gradul de reconditionare determina temperatura plasmei care variaza intre limite foarte largi incepand de la temperatura mediului ambiant (plasma din tuburile cu descarcari in gaze rarefiate) pana la milioane de grade Kelvin.
In constructia masinii se foloseste plasma cu temperaturi cuprinse intre 6000o-3000oK. In acest domeniu de temperaturi plasma se obtine prin comprimarea radiala si axiala a arcului electric cu ajutorul unor gaze plasmagene.
Tehnologia de debitare cu plasma numara mai mult de 50 de ani de istorie, începand înca din timpul 2a Razboi Mondial. Avioanele trebuiau sa fie facute ... mai rapid decat este posibil, şi aceasta necesitate a accelerat inventarea debitarii cu plasma, cu un gaz protector care înconjoara jetul de plasma şi minimizeaza oxidarea suprafaţei taiate.
2
In acelasi timp , cercetarile tehnologice in domeniul plasmei a dezvoltat noi solutii care au optimizat taierea cu plasma a profilelor: prin reducerea diametrului duzei deschise ambele temperatura arcului si velocitatea a plasmei ejectate a crescut, atingerea fantei înguste (laţimea canalului creat) şi avansul rapid al procedurii de debitare.
În a doua jumatate a anilor 1960 debitarea cu plasma a inceput sa aibe o mulţime de aplicaţii comerciale, datorita avantajelor pe care le ofera oricui care si-ar putea permite acesta solicita investiţii importante ; companii care au facut-o, beneficiaza de profituri ridicate asupra capacitaţii lor de a reduce metal cu precizie şi rapid. În cele din urma, cum progresul a facut mai ieftin, toate atelierele mai mici şi pasionaţi au fost atraşi de ea. Suntem mandri sa ştim ca noi, la AID Control, avut contribuţia noastra în aceasta dezvoltare. Astazi, orice atelier considera taiarea cu plasma cum trebuie sa ai în echipamentele casei.
Debitarea cu plasma astazi se realizeaza cu masini CNC acţionate şi cu surse de tensiune dubla 100-400 amperi, dar exista, de asemenea, cele mai puţin puternice pentru aplicaţii mai uşoare sau de mana. De înalta definiţie tehnologia debitarii cu plasma a adaugat si avantajele ale debitarii cu plasma, facand posibila debitarea de oţel moale ai grosimi de la 0,3 mm sa 160 mm. Exista motive sa credem ca acei clienţii ai taiat cu plasma se vor bucura de rezultate mai bune şi mai fiabile în viitorul apropiat, lasand starea - Art tehnologia de debitare cu laser sa compenseze lipsa de funcţii specializate.
Nu conteaza cum şi cand noua tehnologie laser ar putea înlocui debitarea cu plasma , acesta din urma ar putea oferi cu un criteriu, pe care sa il testezi cu furnizorul sa il fie: Deşi exista un numar de producatori de încredere de Plasma, cei care, de asemenea, au verticalul ştie - cum ale mult mai complicatului laser de debitare şi rezonatori acestuia sunt o garanţie pentru calitatea şi tehnica perfecta.
Dezvoltarea si extinderea progresului stiintei si tehnicii în toate ramurileeconomiei,cresterea exigentei societatii în general, a condus la promovarea unor tehnici noi.Astfel cerintele actuale au impus implementarea în practica industriala a unor conceptii noi in prelucrarea materialelor.
Aparitia si dezvoltarea anumitelor domenii, a condus la nasterea notiunilor de fiabilitate, mentenabilitate, disponibilitate care reflecta într-o maniera stiintifica modul de comportare al produselor în faza de exploatare în raport cu timpul.
În acest context debitarea termica cu plasma aduce o contributie deosebita, in promovarea unor tehnici de varf, dezvoltand sursele de energie concentrata. Rezolvarea unor probleme fundamentale la generarea plasmei si aplicarea acestora la constructia generatoarelor de plasma din tara noastra, au contribuit la utilizarea plasmei pe plan mondial si în Romania in mod special.
Recentele progrese din domeniul tehnicii, cresterea exigentei clientilor si, implicit, a societatii, determina promovarea unor produse cu un grad ridicat al calitatii, acest lucru fiind facilitat de proiectarea si implementarea unor idei inovative de fabricare a produselor.
3
În vederea îmbunatatirii calitatii de debitare ale pieselor dar si pentru o diminuare a costului de debitare, trebuie sa se tina seama de nivelul calitatii taierii, a preciziei privind dimensiunile geometrice ale materialului prelucrat si nu în ultimul rand cheltuielile specifice ale taieturii.
Sunt cunoscute dezvoltarile spectaculoase din ultimii ani a procedeelor de debitare termica, datorita avantajelor de ordin tehnic si economic în comparatie cu prelucrarile mecanice clasice si sub acest aspect pot fi luate în consideratie: debitarea cu oxigen, debitarea cu arc de plasma si debitarea cu fascicul laser.
Debitarea cu plasma foloseste o serie a metode pentru a obtine arcul. În unele unitaţi, arcul este creat prin punerea flacarei în contact cu piesa de lucru. Unii taietori folosesc o tensiune înalta, circuit de înalta frecvenţa pentru obtinerea arcului. Aceasta metoda are o serie a dezavantaje, inclusiv riscul de electrocutare, dificultate a reparaţii, întreţinere decalajului scanteii , şi valoarea mare a emisiilor de frecvenţe radio. Debitarea cu plasma în apropierea electronicelor sensibile, cum ar fi CNC hardware sau calculatoare, obtineti arcul pilot prin alte mijloace. Duza şi electrodul sunt în contact. Duza este catod, iar electrodul este anod. Atunci cand gazul începe sa circule, Duza este suflata înainte. A treia metoda, mai puţin obişnuita descarcare este descarcata capacitiv în circuitul primar prin intermediul unui redresor cu silicon controlat.
Debitarea cu plasma a fost, de asemenea utilizata la maşini CNC de taiere. Producatorii au construit mesele de taiere CNC, unele cu abilitatilor taierii construit în pentru masa. Ideea din spatele mesele CNC de taiere este de a permite unui computer pentru controla capul arzatorul cu plasma ce executa taieri curate clare. Echipamente moderne CNC de taiere ar fi capabile a multi-axa a unui material gros, permiţand posibilitaţilor pentru cordoanelor de sudura complexe pe echipament de sudare CNC de taiere care altfel nu ar fi posibil . Pentru a materialelor subtiri, sunt înlocuite treptat de cu laser, datorita în principal abilitatilor taierii cu laser superioare gaura-.
O utilizare specializata a CNC de taiere cu plasma a fost în industria HVAC. Software-ul va procesa informaţii cu privire la conducte şi de a crea tiparele plane care urmeaza sa fie taiate pe masa de arzatorul cu plasma. Aceasta tehnologie a crescut enorm productivitatea în cadrul industriei de la introducerea sa la începutul anilor 1980.
În ultimii ani au fost dezvoltate mai mult în zona a masinilor cu comanda numerica prin calculator integrat/computerizata CNC de debitat cu plasma CNC de taiere . În mod tradiţional mesele maşinilor cu CNC comanda numerica de taiere cu plasma au fost pe orizontala, dar acum din cauza continuarii cercetarii şi dezvoltarii masinile cu comanda numerica prin calculator integrat/computerizata CNC de debitat cu plasma verticale sunt disponibile. Aceasta avansare ofera o maşina cu o amprenta mica, flexibilitate sporita, siguranţa optima, operarea mai rapida.
Profilul este conturul unei secțiuni plane a unui obiect.
4
Exemple de profile debitate cu plasma veti vedea in figura urmatoare:
5
1.2 Necesitate
Necesitatea debitarii cu plasma a venit odata cu pretentiile si dorintele clientilor a diferitelor tipuri de profile din diferite materiale.
Precizia profilelor obtinute cu acest procedeu de debitare cu plasma este foarte buna, pierderile de material sunt din ce in ce mai mici si satisfactia clientilor creste pe masura ce calitatea profilelor obtinute creste si costurile scad.
Debitarea cu plasma - o tehnologie care s-a dezvoltat de sudura din anii 1960 - a aparut ca o modalitate foarte productiva la debitarea tablelor şi placilor de metal din anii 1980. Ea a avut avantaje faţa de tradiţional "metal împotriva metal" debitarea nu produce aşchii metalice şi oferind taieturi precise, şi are o linie mai curata decat taierea oxi-gaz.Cu ceva timp in urma taierile cu plasma au fost mari, oarecum lente şi costisitoare şi, prin urmare, tendinţa de a fi destinate repetarii taierii de modele, debitarea în modul "producţiei în masa" .
Ca şi în cazul altor maşini-unelte, CNC (control numeric de calculator), tehnologia a fost aplicata la maşinile cu CNC comanda numerica de debitat cu plasma la sfarşitul anilor 1980 în anii 1990, oferind maşinilor cu CNC comanda numerica de debitat cu plasma o mai mare flexibilitate la debitarea diverselor forme "la cerere", bazate pe un set de instrucţiuni care au fost programate din controlul numeric al aparatului. Aceste masini de debitat cu plasma cu CNC comanda numerica au fost, totuşi, limitate în general la debitarea de modele şi piese din placi de oţel, folosind doar doua axe de mişcare (menţionate ca XY de taiere).
Debitarea cu plasma a profilelor se realizeaza prin topirea locala a materialului şi expulzarea sa cu viteza mare datorita acţiunii unui arc electric care arde între un electrod nefuzibil şi piesa de taiat profilul, arcul electric fiind constrans mecanic cu ajutorul duzei de taiere şi a gazului plasmagen.
Pentru mulţi oameni, locul de debitarea cu plasma a profilelor este un loc complex şi descurajator, cu un set criptic de reguli care pot fi stapanite numai de catre tehnicieni de înalta calificare, dupa saptamani de instruire. Pentru fiecare schimbare a materialului sau grosimii a fi taiat, rezulta un lung proces de resetare amestecurilor de gaze, înalţimi optime de straungere şi întarzieri de strapungere, şi calibrarea manuala fiecare parametru trecut pentru a asigura un rezultat fiabil.
Cu toate acestea, progresele tehnologice au automatizat procesul de calibrare şi au eliminat presupunerile pentru a face accesibila debitarea cu plasma a profilelor de mare precizie pentru magazine de fabricaţie mari şi mici deopotriva. Prin lucru împreuna pentru a dezvolta tehnologiile lor, companiile de masini CNC şi unitate de plasma au optimizat sisteme de control de maşini pentru a profita din plin de viteza si puterea de debitare cu plasma a profilelor . Tehnologia CNC permite sistemelor pentru a comunica sa menţina un nivel înalt de control asupra calitaţii debitarii cu plasma a profilelor .
Acest nivel de control este obţinut prin corelarea tuturor parametrilor a unei unitaţi de debitare cu plasma a profilelor la aceeaşi unitate de masini CNC care instruiesc mişcarea capului, ceea ce permite operatorului sa calculeze toţi factorii care ar putea afecta calitatea a o taietura.
6
Oricand tipul materialului, grosimea, sau procesul de debitarea cu plasma a profilelor este schimbat, mai mulţi parametri trebuie sa fie adaptate, cum ar cum viteza de avans, întarziere de strapungere, înalţime de strapungere, şi amestecul de gaz. În loc de ajustarea cadranelor şi de a face masuratori precise înainte de a rula un lucrare, operatorul încarca pur şi simplu materialul care urmeaza sa fie taiat şi apoi selecteaza tipul de materialului dintr-o lista meniuri il acţioneaza de la tastatura maşinii . Controlorul apoi configureaza automat maşina şi unitate de plasma accesibila taierii cu plasma a profilelor. Acest lucru reduce considerabil timpul de instalare şi elimina aproape marja de eroare umana, natural îmbunataţeste eficienţei lucrarii, timpul de producţie, şi calitatea lucrarii.
Acest procedeu de debitare cu plasam a aparut in urma dezvolarii tehnologiei si pentru micsorarea timpului de lucru si obtinerea unei calitati bune a produselor debitate fara a le mai supune altor operatii pentru o obtine dimensiunile dorite.
7
1.3 Importanta
Importanta debitarii cu plasma a profilelor vine din dorinta de a obtine o calitate si o precizie cat mai buna a profilelor si a produselor in care acestea sunt utilizate.
Debitarea cu plasma a profilelor duce la obtinerea profilelor cu costuri medii insa timpul de obtinere scade fata de alte procedee de obtinere al profilelor. Suprafetele profilelor obtinute prin debitarea cu plasma sunt lipsite de zgura si de multe alte defecte ce ar fi putut aparea daca se obtineau prin alte procedee.
Procesul de de taiere cu plasma a profilelor implica o reacţie electrica, astfel încat spre deosebire de alte tehnici de taiere, taiarea cu plasma a profilelor poate taia numai materiale care conduc electricitate. Atunci cand un fişier al lucrarii este pornit, masina arzatorul se mişca la prima strapungere sau poziţia de taiat şi arzatorul se mişca în jos spre arzatorul materialului. La sfarşitul arzatorului exista un dispozitiv numit un senzor ohmic. Odata ce senzorul ohmice face contact cu plasma la suprafaţa materialului, se inchide un circuit electric, informand masina ca a ajuns la suprafaţa materialului.Arzatorul apoi se ridica deasupra materialului la înalţimea de strapuns. Înalţimea strapungerii este mai mare decat înalţimea de taiere a profilului pentru a preveni ca metalul fierbinte sa nu sara direct înapoi în arzatorul în timpul procesului de strapungere.
Odata ce strapungerea este completa, arzatorul se mişca la înalţimea de taiat şi începe sa taie. Înalţimea optima de strapungere, înalţime de debitare, şi toate sunt bazate pe consumabile şi materialul de taiat. Pe sistemele sofisticate de taiere a profilelor, toţi dintre aceşti parametri sunt setati automat. Odata ce începe de debitarea profilului, distanţa dintre arzatorul şi partea de sus a materialului este menţinuta prin citirea de tensiune de la arcul plasmei, într-un proces cunoscut sub numele de control automat de înalţime al arzatorului (ATHC). În general, tablele de materialului nu mint total plate, în special materialului subţire cu ecartament. Pentru a asigura o taietura de înalta calitate, este important sa se menţina o distanţa constanta între arzatorul şi suprafaţa materialului. Menţinerea la o înalţime constanta necesita un sistem receptiv ATHC. Pe unele sisteme, tensiune arc este verificata la o rata de 500 de ori pe secunda, şi citirile sunt folosite pentru regla axa Z sus sau în jos în consecinţa. Rezultatul este o taietura de calitate care nu necesita intervenţia utilizatorului.
Procesul descris pare simplu, dar de fapt este o urmare a evoluţiei semnificative în tehnologia moderna. Sistemele mai vechi cu plasma, precum şi multe altele moderne, nu profita de avantajele ale aceste noi evoluţii şi necesita ajustari minuţioase manuale pentru a produce piese care raman inferioare la calitate şi eficienţa. Ca evoluţiile ulterioare tehnologice sunt facute, diferenţa de calitate dintre sistemele mai puţin avansate şi cele moderne este extinderea într-un ritm rapid.
Una dintre cele mai recente descoperiri în tehnologia de debitare plasma este 200 amperi taiere cu plasma fina. Acest proces produce un jet de plasma o taiere constrans pentru o densitate mai mare a arcului de taiere a profilului şi o taiere precisa.Rezultatul este o taietura lucioasa, neteda, precisa care este aproape fara zgura.
Condiţia placii cu privire la rugina sau reflexia nu afecteaza proces de taiere al profilului.
8
Un sistem de taiere cu plasma de înalta calitate fina permite taierea de gauri cu diametre aproape echivalente cu grosimea ale materialul de taiat. De exemplu, gauri de buna calitate 0.35 inch diametru pot fi taiate cu precizie într-un material de 0.25-inch grosime.
Directiile de dezvoltare a taierii termice cu plasma sunt îndreptate spre gasirea unor solutii prin care sa creasca gradul de concentrare al arcului de plasma prin marirea densitatii de curent.Instalatia prezentata în figura 1. conceputa de compania HYPERTHERM esteechipata tot cu un generator de plasma care utilizeaza doua gaze; unul plasmagen, al doilea drept gaz de protectie.Principiul de functionare a generatorului tertajet OCP 150, gaz plasmagen (1) azot, gaz secundar (2) azot în amestec cu oxigen, sau cu metan,este prezentat in figura 1.
Evolutia principiilor de functionare ale generatoarelor de debitare cu plasma siperformantele din ultimii ani si pana în prezent sunt prezentate în tabel 1 :
Tabelul 1 Evolutia principiilor de taiere cu plasmaNr crt
Procedee de taiere cu arc de plasma si gaze plasmagene folosite
Locul unde s-a dezvoltat
Perioada dezvoltarii si domeniul de utilizare
Domeniul curentilor de taiere
Principii constructive ale generatorului de plasma
Observatii
0 1 2 3 4 5 61 Taiere cu plasma
de argon sau amestec de argon + hidrogenAzot+ hidrogenArgon+azot+hidrogen
SUA si Europa
1957Oteluri inoxidabile, aluminiu, cupru etc.120 mm la inox si 150
120-600A Electrod de Wolfram, racire cu apa in circuit inchis, injectie de gaz axial
9
mm la aluminiu
Japonia 1965-1975120 mm pentru inox, 150 mm pentru aliminiu
120-300A Similar ca in Europa si SUA
2 Taiere cu plasma de azot drept gaz plasmagen si cu gaz secundar aer
Europa 1967, grosime 120 mm pt inox, 150 mm pt aluminiu
120-600A Electrod de Wolfram, racire cu apa, admisia de gaz turbionar in interior cu gaz plasmagen si in exterior cu gaz secundar
In Romania s-a dezvoltat in baza brevetului romanesc 51256/1967 si acelasi brevet acceptat si in SUA, Anglia, Germania, Austria s.a. Titlul inventiei romanesti „Generatorul de plasma cu focalizare magnetica si admisie de gaz suplimentar in exteriorul ajustajului”
3 Taiere cu plasma de aer sau oxigen
Europa si SUA
1968, oteluir slab aliate pana la 30 mm grosime
50-100A Electrod din Zirconiu sau Hafniu, Admisie gaz plasmagen turbionar
Se foloseste si in prezent
Japonia 1973-1993 otel naval 5-40 mm grosime
80-250A Similar ca in Europa si SUA
4 Taiere cu plasma de azot sau aer, prin contact direct intre duza si tabla de taiat
Japonia 1980-1983 oteluri slab aliate si navale (3-12mm)
15-80A Racire directa cu aer. Nu s-a raspandit pentru taierea mecanizata. Se foloseste numai la taierea manuala
Nu se foloseste
Europa 1987(3-6mm) 15-40A Similar ca in Japonia
5 Taiere cu plasma de azot cu injectie exterioara de apa
Europa 1965-1968 50-200A Electrod din carbine. Admisie de gaz turbionara
Nu s-a raspandit
10
6 Taiere cu plasma de argon sau azot sub apa pentru reducerea noxelor
Europa 1977- oteluri aliate si nealiate (5-40mm)
120-400A Racire cu apa. Electrod din Wolfram sau Zirconiu
Nu s-a raspandit din cauza raspandirii hidrogenului in apa prin disociere, cu pericol mare de explozie.
7 Taiere cu plasma de aer cu costuri reduse
Japonia (Tanaka) si in Europa din 1986
1983-1999Oteluri carbon (3-35mm)1986-1999In Europa (5-25mm)
10-140A Electrozi din Zr si Hf, racire cu aer
Foarte raspandita in Japonia si in prezent in Europa , mai ales la taiere manuala
8 Taiere cu plasma de oxigen sau azot sub apa si injectie de apa cu doua duze
SUA HYPER-THERM
1983- otel carbon pana la 32 mm si aluminiu cu 760A cu azot pana la 75 mm
Max 340A pt O2 si 760A pt azot
Racire cu apar. Electrod din Hf, generatorul este scufundat in apa ceea ce asigura racirea duzei.
Raspandit in SUA si Europa
9 Taiere cu plasma de oxigen sau azot sub apa si injectie de apa cu doua duze (duza exterioara poate fi si din ceramica)
SUAHYPER-THERM si L’TEC ESAB
1990 Oteluri pt industria navala 260A pt 8-25mm34A pt 8-32 mm
260A sau 340A
Racire cu apa. Elextrod din Hf cu insertie de Ag-Ni pt a mari racirea si durata de viata a electrodului. Se regleaza debitul de gaz si curentul de taoere dupa program
Raspnadit in SUA si Europa. Prin optiune se poate echipa si cu dispozitive pt sanfrenare. Este prevazut si cu insemnarea reperelor din vopsire sau gravare cu jet de plasma cu programarea CNC
10 Taiere cu plasma de oxigen cu doua duze cu gaz de protectie
JaponiaKOMATSU
Tanaka si KOIKE
1991 Oteluri pt industria navala 8-45mm la 120-450A
120-450A Racire cu apa.Electro de Hf. Prin modificarea debitului gazului de protectie se schimba unghiul de inclinare a deseului.
11 Taiere cu plasma de oxigen de inalta precizie cu o singura duza si gaz plasmagen in
JaponiaKOMATSU
1989 iteluri aliate si nealiate 0,5-8 mm la 5-40A si 3-12mm la
5-40 si 12-90A
Racire cu apa.Electro de Hf.Turbionare puternica a gazului palsmagen
11
camp amgneti 12-90A suprapus in camp magnetic, care modifica unghiul de inclinare a fetelor. Fata activa este perpendiculara, iar fata deseului ramane inclinata
12 Taiere cu plasma de oxigen de inalta precizie cu turbionare puternica in interior realizat prin evacuarea unei parti din gazul plasmagen in exterior si introducerea intre duze a gazului suplimentar tot turbionar
SUAHYPER-THERM
16-100A15-260A
Racire cu apa. Elextrod din Hf cu insertie de Ag-Ni. Reglarea debitelor de gaze se realizeaza in timpul procesului de taiere.Se regleaza atat gazul plasmagen prin valoarea debitului de gaz plasmagen evacuat in atmosfera, cat si prin valoarea gazului suplimentar introdus intre duze.
12
1.4 Avantajele debitarii cu plasma a profilelor
Avantajele debitarii cu plasma a profilelor sunt urmatoarele :
precizie de ± 0,9..1,5 mm; viteze de taiere 250...1500mm/min; procedeu economic; calitate buna a suprafeţei taieturii; viteze mari de debitare deoarece energia dezvolataa de arcul de plasma este superioara celei de
la debitarea oxigaz; nu este necesara preîncalzirea materialului; tensiuni şi deformaţii mai mici decat la oxigaz productivitate buna; universalitate în aplicare; se pot taia toate materialele metalice.
1.5 Dezavantajele debitarii cu plasma a profilelor
Dezavantajele debitarii cu plasma a profilelor sunt urmatoarele :
cost ridicat al echipamentului; consum energetic mare; mai multe noxe.
13
2) Stadiul actual al cercetarilor privind realizarea cercetarilor privind debitarea cu plasma a profilelor prin procedeele clasice daca este posibila.
Debitarea cu plasma a profilelor nu se poate realiza prin procedee clasice. Debitarea cu plasma este un procedeu special.
14
3) Stadiul actual al cercetarilor privind realizarea cercetarilor privind debitarea cu plasma a profilelor prin procedeul ( cele special/e schema de principiu, avantaje, dezavantaje, echipamente folosite, proces tehnologic, proceduri, posibilitati de utilizare, optimizare proces)
Sunt cunoscute dezvoltarile spectaculoase din ultimii ani a procedeelor de debitaretermica, datorita avantajelor de ordin tehnic si economic în comparatie cu prelucrarilemecanice clasice. La alegerea procedeului de debitare trebuie sa se tina seama de nivelulcalitatii taierii, a preciziei privind dimensiunile geometrice ale materialului prelucrat sinu în ultimul rand cheltuielile specifice ale taieturii. Sub acest aspect pot fi luate înconsideratie: debitarea cu oxigen, debitarea cu arc de plasma si debitarea cu fascicul laser.
Fig 2 Schema de principiu a obtinerii plasmei:
15
1 – arc electric ; 2 – electrod nefuzibil ; 3 – piesa semifabricat ; 4,5 – gaze plasmagene ;
6,7 – ajutaje ; 8 – duza de racire si focalizare.
In constructia masinii se foloseste plasma cu temeperaturi cuprinse intre 6000….30000K. In acest domeniu de temperaturi, plasma se obtine prin comprimarea radiala si axiala a arcului electric cu ajutorul unor gaze plasmagene(fig 2). Arcul electric 1, format intre electrodul 2 si piesa-semifabricat 3, este comprimat axial de gazul plasmagen 4 si radial de gazul plasmagen 5, introduse prin ajutajele 6 si respectiv 7.
1. electrod de wolfram; 2. duza; 3. amestecul de gaze; 4. sistem de racire cu apa; 5. jet de plasma; 6. materialul de taiat; 7. calculator electronic.
Aceasta figura prezinta o Instalatie de debitare cu jet de plasma a profilelor din materialelor compozite
Jetul de plasma 5 actioneaza asupra materialului de taiat 6, pozitionarea si deplasarile sx, sy, sz si rotirea wz, necesare decuparii conturului dorit putand fi realizate manual, sau automat cu ajutorul calculatorului 7.
Principalii parametri ai instalatiei de taiere cu plasma sunt: viteza de taiere, intensitatea si tensiunea curentului electric in arcul de plasma, natura si debitul gazului plasmogen.
Stabilirea valorilor acestor parametri se face in functie de natura materialului prelucrat, grosimea semifabricatului, calitatea impusa suprafetei, productivitatea impusa, precizia dimensionala si forma geometrica cerute.
Grosimea semifabricatului debitat cu jet de plasma poate fi de pana la 60...80 mm si chiar mai mult. De retinut insa ca, o data cu cresterea grosimii semifabricatului debitat, cresterea densitatii de curent nu mai conduce la o crestere proportionala a vitezei de taiere. Aceasta se datoreaza faptului ca o mare parte a energiei termice este consumata la extinderea zonei influentata termic care, pentru un rost de taiere b = 1,5 mm, poate capata o extindere de 0,24 mm.
16
Plasmatroanele care folosesc gaze plasmogene biatomice (N2, H2, O2) asigura debitarea de calitate a semifabricatelor din materiale metalice (cu precadere a otelurilor inalt aliate, refractare si inoxidabile, aliajelor de aluminiu, cupru, titan) si compozite cu matrice metalica sau din mase plastice ( termoplastice, termorigide, elastomere).
Printre defectele specifice taierii cu jet de plasma se mentioneaza: rotunjirea muchiilor datorita taierii cu o putere prea mica a generatorului de plasma; rugozitatea mai mare pe una dintre suprafetele rezultate prin taiere, ca urmare a efectului turbionar al jetului de plasma; aparitia de bavuri pe partea opusa a zonei taiate si improscari de material, sub forma de stropi, ca urmare a taierii cu viteze prea mari; formarea unor zone influentate termic in care, sub actiunea tensiunilor termice si remanente pot aparea fisuri, crapaturi.
Pentru prelucrarea pieselor din otel carbon cu grosimi de pana la 75 mm se pot utiliza, in locul gazului inert, aer sau oxigen. Calitatea taieturii cu jet de plasma este cel putin tot atat de buna ca si cea realizata prin taierea oxiflacara, insa cu o zona influentata termic mai mica, de cel mult 1,5 mm. Precizia taieturii este de 1,5 mm.
Temperatura dezvoltata de plasma obtinuta prin comprimarea radiala si axiala a arcului electric este cuprinsa in domeniul 14000…30000K, suficienta pentru a topi oricare substanta solida cu care vine in contact un anumit timp bine determinat. Acesta topire rapida si evaporarea unei parti din materialul de prelucrat este rezultatul concentrarii puternice a anergiei termice in zona axiala a coloanei arcului, concentrare atribuita urmatoarelor fenomene termice si electromagnetice :
- marirea curentului in zona centrala a arcului, determina in sectiune transversala o crestere a fortelor electromagnetice exercitate asupra liniilor de curent inspre axa arcului, ceea ce conduce la o crestere si mai mare a conctratiei radiale ;
- racirea periferiei arcului electric, datorita circuitului de racire din duza 8 (fig.2), produce o micsorare a gradului de ionizare a gazelor din zona racita, ceea ce reduce conductivitatea in aceasta zona si mareste densitatea de curent in zona centrala a coloanei.
Materialul (de pe suprafata de prelucrat) topit si chiar evaporat este indepartat de curentul de gaz plasmagen, care indeplineste si rolul de transportor al micropariculelor de material indepartat.
Avantajele debitarii cu plasma a profilelor sunt urmatoarele : precizie de ± 0,9..1,5 mm; viteze de taiere 250...1500mm/min; procedeu economic; calitate buna a suprafeţei taieturii; usor de utilizat; latime mica a ZIT; viteze mari de debitare deoarece energia dezvolataa de arcul de plasma este superioara celei de
la debitarea oxigaz; nu este necesara preîncalzirea materialului; tensiuni şi deformaţii mai mici decat la oxigaz
17
productivitate buna; universalitate în aplicare; se pot taia toate materialele metalice.
Dezavantajele debitarii cu plasma a profilelor sunt urmatoarele : cost ridicat al echipamentului; consum energetic mare; mai multe noxe.
Utilaje folosite la prelucrarea dimensionala cu plasma respectiv la debitarea profilelor cu plasma
Sunt numeroase tipuri de instalatii de prelucrare dimensionala cu plasma, in functie de natura prelucrarii efectuate, de productivitatea procedeului sau de natura materialelor de prelucrat.
Fig 3 Schema de principiu a unei instalatii de prelucrare dimensionala cu plasma :
18
S – sursa de alientare cu energie electrica ; Osc – oscilator de inalta frecventa si tensiune pentru amorsare ; C – condensator de cuplare ; k1 si k2 –
intrerupatoare ; R – rezistenta variabila ;PS – piesa – semifabricat ; G – generator de plasma ; SR – sistem de racire ; GP
– gaze plasmagene.
Schema de principiu a unei instalaţii de prelucrat dimensionala cu plasma se prezinta în figura 3. Oricat de complexa ar fi, instalaţia se compune din urmatoarele parţi principale: generatorul de plasma, sursa de alimentare cu energie electrica, sursa pentru amorsarea descarcarii, sursa de alimentare cu gaze plasmagene şi dispozitivele auxiliare pentru asigurarea deplasarilor relative dintre plasmatron şi piesa de prelucrat.
Generatorul de plasma (plasmatronul) realizeaza descarcarea electrica cu formarea arcului electric.
Dupa modul cum realizeaza descarcarea, respectiv formarea arcului electric se deosebesc doua variante distincte:
- generator cu arc de plasma AP (sau cu arc transferat), cand arcul electric arde între electrodul (catodul 1) şi piesa-semifabricat de prelucrat 2, legata la anod, şi trece prin duza de focalizare 3 (fîg.4. a);
-generator cu jet de plasma JP (sau cu arc netransferat-suflat), cand arcul electric arde între electrodul 1, legat la catod (fig.4. b), şi duza 3 (anodul), plasma fiind suflata în exterior de catre presiunea gazului, sub forma de jet (arc suflat).
19
Fig 4 . Variantele de functionare ale generatoratoarelor cu plasma :a – cu arc de plasma AP ; b – cu jet de plasma JP : 1 – electrod nefuzibil ; 2 –
piesa-semifabricat ;3 – duza de focalizare ; 4 – gaze plasmagene.
Cele mai folosite plasmatroane sunt cele cu arc transferat, cu conditia ca materialul de prelucrat sa aiba conductibilitate electrica.
Sursa de alimentare cu energie electrica se alege in functie de tipul generatorului de plasma folosit.Ca sursa de alimentare se folosesc grupuri convertizoare cu puteri de 1..100W si redresoare speciale, care asigura caracateristici superioare si parametri ce pot si reglati in trept, acoperind o gama larga de puteri, pana la 90kW la un randament ridicat al sursei.
Sistemul de alimentare cu gaze plasmagene se compune dinte-o serie de pompe speciale, butelii de înalta presiune în care se gasesc gazele, conducte de înalta presiune, reductoare de presiune şi aparatura de masura şi control a presiuni gazelor. Gazele sau amestecul de gaze se alege în funcţie de natura materialului de prelucrat, de tipul operaţiei,de condiţiile de funcţionare stabila a generatorului şi de condiţiile economice.
Stabilitatea descarcarilor electrice şi durabilitatea duzei de focalizare cu gaze monoatomice (argon, heliu) este folosita la prelucrarea unor materiale cu refractaritate înalta cu gaze biatomice (hidrogen, azot) care disociaza în coloana arcului şi se recombina la întalnirea cu materialul (cu degajare mare de caldura). Natura materialului de prelucrat condiţioneaza totodata şi natura gazului, în funcţie de reacţiile dorite sau nedorite ce pot avea loc între ele.
Dispozitivele auxiliare asigura deplasarea plasmatronului faţa de piesa-semifabricat dupa traiectoria necesara şi cu viteza stabilita. In funcţie de productivitatea prelucrarii şi complexitatea suprafeţei ce. trebuie generata, deplasarea se poate face manual sau mecanizat, folosind dispozitive asemanatoare cu cele de la debitarea cu oxigen.
Parametrii regimului de prelucrare dimensionala cu plasma
Prelucrarea dimensionala a anumitor suprafeţe cu plasma presupune o corelare optima a parametrilor plasmei (tensiune, curent, natura gazului plasmagen, debitul gazului plasmagen), a parametrilor mecanici (viteza de deplasare a plasmatronului, presiunea gazului purtator) cu caracteristicile cerute suprafeţei prelucrate (forma şi dimensiuni, secţiunea transversala, precizia dimensionala, rugozitatea, adancimea zonei influenţate termic şi constantele termofizice ale materialului de prelucrat).
Parametrul cel mai important este viteza de prelucrare,vp care poate fi calculata în funcţie de parametrii electrici şi de constantele termofizice ale materialului de prelucrat (neglijand influenţa gazului plasmagen folosit), cu relaţia:
20
în care: Ua este tensiunea arcului electric, în V; Ic - intensitatea curentului electric, în A; S - secţiunea transversala a zonei supusa prelucrarii, în m2; c - caldura specifica, în J/kg°C; ρ - masa specifica, în kg/m3; θt- temperatura de topire, în oC; ηp - randamentul total al prelucrarii, definit ca raportul dintre energia folosita pentru îndepartarea materialului de pe-suprafaţa de prelucrat şi energia introdusa în arcul de plasma.
In functie de natura prelucrarii si natura materialului de prelucrat se pot realiza viteze de taiere de 250..1500mm/min, la o zona influentata termic de 0,5..1,0 mm si o precizie de ±(0,9..1,5)mm.
Pentru a avea o imagine asupra utilizarii procedeelor de debitare termica ce se refera laotelul carbon, prezentam în figura 3 o clasificare ale acestor procedee.
Posibilitaţile de utilizare a prelucrarii dimensionale cu plasma
Prelucrarea dimensionala cu plasma se foloseşte în special la oţeluri inoxidabile cu rezistenţa mecanica mare şi refractaritate înalta, la aluminiu aliajele sale, cuprul şi aliajele sale, magneziul şi aliajele sale şi altele.
Principalele operaţii de prelucrare dimensionala cu plasma sunt: debitarea (taierea) la dimensiuni a barelor, profilelor, tablelor, benzilo sau platbenzilor (fig.5.
a), dupa diferite contururi; gaurirea strapunsa a materialelor cu grosimi pana la 125 mm (uneori chi mai mult), în funcţie
de natura materialului (fig.5. b); strunjirea exterioara a pieselor (frg.5. c). în acest caz generatorul de plasma se aşeaza
tangenţial la suprafaţa de prelucrat şi înclinat cu un unghi β=8...9° în direcţia avansului (unghiul de înclinare nu trebuie sa fie prea mare, fiindca se produce o scurgere inelara a materialului topit şi nici prea mic, pentru a nu se împroşca metal topit pe suprafaţa deja finisata);
filetarea exterioara a pieselor confecţionate din oţeluri refractare utilizate în construcţia de reactoare şi aeronautici, cu viteze de 5... 10 ori mai mari decat prin aşchierea clasica;
sudarea cu plasma a oţelurilor aliate şi a aliajelor refractare; metalizarea cu plasma etc.
21
Fig 5 Cateva din aplicatiile prelucrari dimensionale cu plasma :a – debitarea la dimensiune; b – gaurirea ; c – strunjirea ; np(vc) – turatia piesei-semifabricat
(viteza principala de aschiere) ; vfl, vft, vfc, viteza de avans longitudinal, transversal si respectiv circular.
Procedeul se foloseşte şi la intesificarea unor procedee clasice de prelucrare prin aşchiere a unor materiale metalice sau chiar nemetalice (sticla, ceramica, unele materiale dielectrice etc).
In diagrama din figura 6 se prezinta performantele taierii cu plasma de oxygen a profilelor in comparatie cu taierea cu laser prezentata de Soren Carisson (ESAB)
22
Directiile de dezvoltare a taierii termice cu plasma sunt îndreptate spre gasireaunor solutii prin care sa creasca gradul de concentrare al arcului de plasma prin marireadensitatii de current.
Instalatia prezentata în figura 1. conceputa de compania HYPERTHERM esteechipata tot cu un generator de plasma care utilizeaza doua gaze; unul plasmagen, aldoilea drept gaz de protectie.
Principiul de functionare a generatorului Nertajet OCP 150, gaz plasmagen (1) azot, gaz secundar (2) azot în amestec cu oxigen, sau cu metan,este prezentat in figura 1.
În baza acestor deziderate prezenta lucrare trateaza o problema de actualitate legata de prelucrarea aliajelor usoare prin procedee de debitare cu plasma în locul procedeelor mecanice. Avand în vedere ca debitarea cu plasma se apropie tot mai mult de debitarea cu fascicul laser la un pret mai redus si o calitate comparabila, decizia finala va fi luata tinand seama si de economiile realizate. Aceste economii fata de taierea cu laser si raportul dintre costul investitiilor si calitatea suprafetelor rezultate dupa debitare din studiile sunt prezentate în figura 7.
23
Fig . 7 Costurile taierii cu laser si plasmaPrincipiile constructive ale generatoarelor de plasma au determinat
folosirea diferitelor amestecuri de gaze, asa cum se prezinta în figura 8 .Injectia axiala la începutul dezvoltarii generatoarelor de plasma,a permis folosirea numai a gazelor inerte,in special al argonului in amestec cu hidrogenul sau a heliului.
Daca pentru otelurile de carbon nealiate debitarea oxigaz poate fi luata în considerare pentru grosimi ce depasesc 3-5 mm, în cazul otelului inoxidabil si a aluminiului, acest procedeu nu poate fi
24
utilizat. Din acest motiv, din punct de vedere a vitezelor, debitarea cu plasma, ocupa primul loc pentru grosimi cuprinde între 0,5 si 120 mm.
Figura 9 Variatia vitezei de taiere în functie de grosime la debitarea otelului carbon
25
Pentru a putea urmari fazele în care se produce eroziunea prezentam mai jos un electrod nou nefolosit cu stiftul de hafniu presat în mantaua din cupru intens racit.
26
Pata catodica care se formeaza dupa aprindere datorita curentului se topeste si în contact cu gazul plasmagen cu continut de oxigen,se oxideaza formand o pelicula foarte subtire de oxid de zirconiu sau hafniu .
Oxidul are o putere de emisie de electroni foarte buna si pluteste pe un al doilea strat formatdin nitruri de zirconiu sub 0,1 mm.
Variante constructive ale generatoarelor de debitare cu plasma
Debitarea cu plasma de aerS-a utilizat la debitarea otelurilor carbon începand cu anul 1980. Principiul
procedeului afost prezentat in figura 17.
Fig 17 Procedeul de taiere cu plasma de aerLa grosimi de 12 mm otel carbon pot fi atinse viteze de 2-2,5 m/ min ceea
cedetermina un pret de cost de cca. 20 de ori mai mic fata de debitarea oxigaz.
27
Debitarea cu plasma de azot si vartej de apaProcedeul este utilizat pentru debitarea mecanizata a otelurilor. Apa sub
forma devartej (vortex), permite o strangulare marita a arcului, o racire a partii inferioare a duzei,precum si o reducere a fumului si a deformatiilor piesei în timpul taierii figura 18.
Fig 18 Debitare cu plasma de azot si jet de apa
Debitarea cu plasma de oxigen
28
În jurul electrodului se creeaza un vartej de gaz plasmagen pentru a crea odepresiune în axa electrodului ceea ce mentine arcul de plasma centrat pe placuta dehafniu si reduce uzura acestuia figura 19.
Fig 19 Debitarea cu plasma de oxygen
29
Procedee de debitare cu plasma de înalta precizie si productivitate
Caracteristicile principale ale procedeelor de debitare de inalta precizie siproductivitate „HTPAC”
Înainte de a ameliora calitatea taieturii si de a concura Debitarea laser, generatoarelede plasma au fost aduse în stadiul în care, se poate obtine un arc foarte puternicconstrans. Aceste sisteme poarta numele de HTPAC.
Fig 20 Schema de principiu generator cu plasma HTPAC
Principalele caracteristici ale procedeelor de debitare de tip HTPAC sunt: calitatea taieturii se situeaza între debitarea cu plasma clasica si debitarea
cu laser; viteza de debitare este echivalenta cu cea de la debitarea cu laser; cost inferior fata de debitarea cu laser; domeniul optim de grosimi este între 1,6 si 6,4 mm; masina de debitat trebuie sa fie de înalta precizie pentru a asigura
stabilitatea generatorului de plasma; debitarea da rezultate optime la aluminiu si oteluri carbon obisnuite; noxe reduse.
30
Instalatii de debitare cu plasma din ultima generatie
Fig 21Generatorul de plasma de inalta performanta HPR 130
Compania KOMATSU produce generatoare de debitare cu gaz plasmagen oxigen,geometria duzei, precum si configuratia canalelor (figura 1.30) ce creeaza vartejul ducela obtinerea unei viteze foarte mari de iesire a gazului plasmagen precum si obtinereaunei plasme de oxigen foarte densa si stabila.
31
Fig 22 Generator de plasma KOMATSU – Dual Gas Swirl
Rotirea arcului de plasma pe suprafata electrodului este rezultatul interactiuniicampului magnetic cu particulele electrizate din arcul electric.Acest fenomen marestestabilitatea arcului, iar vartejul dublu de gaz face ca suprafata activa a piesei taiate sa nufie înclinata (figura 23).
Fig 23 Rotirea arcului de plasma pe suprafata pastilei de hafnium
32
4) Contributii privind realizarea cercetari privind debitarea cu plasma a profilelor4.1 Contributii teoretice 4.2 Contributii experimentale proprii
Parametrii regimurilor de debitare pentru diferite materiale cu gaze de protectie diferite
În tabelul 2 se prezinta din datele de catalog tipurile de generatoareHYPERTHERM de înalta definitie gazele de taiere corespunzatoare, materialele cepot fi taiate si grosimile aferente.
Tabelul 2 Analiza performantelor tehniceSistemul dedebitare*
Material Grosimemaxima dedebitare
Debitare decalitate
Gaz plasmagen/protectie
33
POWERMAX1000 si 1250
Otel carbonOtel inoxidabilaluminiu
32 mm 10 mm Aer/ aerAer, azot/ aer,azotAer, azot/ aer azot
POWERMAX1650
Otel carbonOtel inoxidabilAluminiu
44 mm 12 mm
MAX 200 si HT 2000
Otel carbonOtel inoxidabilaluminiu
50 mm 25 mm Aer, O2, N2/ aerO2/CO2
Aer, N2, H2/AerCO2, N2O2/ Aer
HT 4001 Otel carbon cuoxigenOtel carbon cu azotOtel inoxidabil
32 mm75 mm75 mm75 mm
32 mm32 mm32 mm32 mm
O2, N2/ H2OO2, N2/ H2ON2/ H2ON2/ H2O
HT 4400 Otel carbonOtel inoxidabilAluminiu
50 mm 32 mm O2/ AerN2/ O2-N2
HPR 130 siHSD 130
Otel carbonOtel inoxidabilAluminiu
38 mm25 mm25 mm
25 mm20 mm20 mm
O2/ Aer, O2
H35, N2, H35-N2,F5/ N2
H35, Aer, H35-N2/ N2
HPR 260 Otel carbonOtel inoxidabilAluminiu
64 mm50 mm50 mm
32 mm32 mm25 mm
Idem ca la HPR130
Clasificarea performantelor generatoarelor de plasma
Materialele ce se pot taia cu procedeele laser si plasma care ar putea sa faca obiectul unui studiu economic sunt: otelul carbon, otelul inoxidabil si aluminiul.
Din punct de vedere tehnic cea mai severa problema este legata de viteza de taiere,respectiv de urmarire a conturului prin comanda numerica a masinii de taiere.Aceasta viteza trebuie sa fie de 13-15 m/ minut conform valorilor de regim rezultate din tabelul 3.
Tabelul 3 Parametrii regimului de taiere
34
Din analiza tabelului 3 rezulta urmatoarele concluzii pentru instalatiile de debitare cu plasma de înalta definitie,precizie si durata mare de utilizare a electrozilor si duzelor:a) Instalatia POWERMAX 1000 în domeniul grosimilor mici poate realiza debitarea otelului carbon si a otelului inoxidabil la cea mai scazuta grosime si anume 0,5 mm;b) Viteza de taiere maxima pentru 0,5 mm are valoarea de 8635 mm/ min. la otelul carbon si 7370 mm/ min. la otelul inoxidabil;c) Instalatia POWERMAX 1000 realizeaza debitarea aluminiului de 0,8 mm grosime la o viteza de 5080 mm/ min., iar instalatiile HPR 130 pot taia otel carbon de 0,8 mm la 6500 mm/ min.;d) Grosimea maxima de 75 mm pentru aluminiu, otel carbon si inoxidabil apartine instalatiei HT 4001. Debitarea se realizeaza cu vartej de apa în exteriorul duzei si drept gaz plasmagen se foloseste în toate cazurile azot, iar la otelul carbon azotul poate fi înlocuit cu oxigen;e) Domeniul cel mai larg de reglare al curentului apartine instalatiei HPR 260 (45 – 260 A). La valorile maxime ale curentului instalatia poate taia otel carbon la 64 mm grosime, respectiv aluminiu si otel inoxidabil la 50 mm grosime; f) În toate cazurile analizate problema cea mai grea consta în realizarea unor viteze de deplasare foarte mari a grinzii mobile a masinii de debitare; g) Din punct de vedere a perforarii directe cele mai bune rezultate se constata la: MAX 200 (32 mm) si HPR 130 (25 mm).
35
Aspectul suprafetelor rezultate la debitarea cu plasma, defectele si cauzele lor
În cele ce urmeaza se prezinta cateva din rezultatele experimentale realizate:a) cu instalatia HPR 130 s-a taiat otel de 10 mm grosime la un curent de debitare de 130 A. În figura 24 se prezinta suprafata taieturii cu parametri prescrisi cu viteza de 580 mm/ min. Se observa stratul de zgura mai putin aderent si rizurile de debitare neregulate cu adancime redusa.
Figura 24. Aspectul suprafetei taiate cu viteza prescrisa, Figura 25 Aspectul suprafetei taiate cu viteza marita
b) Marindu-se viteza de debitare la 630 mm/ min, suprafata taieturii are aspectul prezentat în figura 3.2. Se observa aparitia rizurilor de taiere curbate ce atesta ramanerea în urma a jetului plasmagen precum si aparitia unor cavitati centrale acoperite cu un strat subtire de zgura.c) Micsorand viteza de taiere la 380 mm/ min. s-a înrautatit aspectul suprafetei rezultate asa cum este prezentat în figura 26. Suprafata prezinta cavitati pe muchia superioara, rizuri pronuntate usor înclinate fata de directia de taiere, portiuni reduse acoperite de zgura.
36
Figura 26 Aspectul suprafetei taiate cu viteza scazuta, Figura 27 Aspectul suprafetei taiate cu 130 A folosind H35, cu protectie de N2, la viteza optima de 260 mm/ min.
d) Cu instalatia HPR 130 s-au executat taieri cu 130 A otel avand grosimea de 25 mm. În figura 27 se prezinta aspectul suprafetei rezultate.Marind viteza de la 260 mm/ min. la 400 mm/ min. au aparut striuri ce au evidentiat ramanerea în urma a jetului de plasma care a parasit taietura. În figura 28 se prezinta aspectul suprafetei taiate cu viteza marita.
Figura 28 Aspectul suprafetei taiate cu viteza marita de la 260 la 400 mm/min
Scopul elaborarii tehnologiilor de debitare cu plasma are la baza o serie de experimentari folosind diferite regimuri de debitare pe diverse instalatii,dar mai ales alegerea generatoarelor de plasma functie de materialul de taiat si grosimea acestuia.Studiind aspectul taieturilor realizate si incadrarea lor in criteriile de calitate,au rezultat in afara taieturilor acceptate din punct de vedere calitativ si o serie de defecte.Din analiza macrostructurilor bune si a celor care prezentau defecte s-au putut evidentia si cauzele care le-au produs. În toate cazurile analizate, defectele au aparut din cauza unor programari la care nu a existat o corelatie între diferiti parametrii ai regimului de debitare.Conform parametrilor care definesc sistemul de debitare pentru un anumit generator de plasma exista urmatorii parametrii de verificat: sistemul de taiere (tipul generatorului de plasma); materialul de taiat (otel carbon,otel inoxidabil,aluminiu); grosimea maxima/minima; curentul de taiere; viteza de taiere (maxima/minima); natura gazului plasmagen/gaz de protectie (aer/aer;N2/aer;O2/aer;N2/CO2;H35/N2 ,etc); debitele gazelor la pornire, plasmagen/protectie (mc/ora); debitele gazelor în timpul taierii,plasmagen/protectie; presiunea gazelor, la pornire/în timpul taierii (bar); distanta diuza-piesa etc.
37
Verificarea permanenta a starii electrodului si a diuzei,prin masurarea adancimii eroziunii stiftului de hafniu sau de zirconiu si concentricitatea diuzei.Aceasta operatie desi este cea mai importanta din punct de vedere functional,este foarte dificil de realizat.Dificultatea consta din aceia ca producatorul autorizat pentru comercializarea pieselor de uzura ofera prea putine informatii in legatura cu timpul de utilizare a electrozilor,respectiv a diuzelor.În general în cartea tehnica se specifica numarul orelor de utilizare si un numar maxim de aprinderi ale arcului pilot.Unii producatori mai specifica si adancimea maxima admisa a eroziunii stiftului de hafniu sau zirconiu dupa care trebuie înlocuit electrodul.În cazul folosirii aerului comprimat drept gaz plasmagen,toate datele ce privesc durata de utilizare a electrozilor este conditionata de calitatea aerului (umiditatea relativa,grad de puritate,lipsa suspensiilor de ulei etc.).Pentru aceste conditii prescrise, nu se specifica metodele de masurare si aparatura necesara,în schimb se ofera: filtre, uscatoare de aer,etc.
În scopul rezolvarii acestor probleme lucrarea prezinta rezultatele unor cercetari experimentale în baza carora au fost emise metodele de masurare indirecta a adancimii de eroziune a electrozilor independent de tipul generatorului de plasma.Metoda face o distinctie între verificarea datelor primite de la producator în legatura cu timpul de utilizare a electrozilor si determinarea pe baza de masuratori de lot, al acestui timp.Determinarile se fac direct pe instalatia utilizatorului in conditiile de lucru concrete ( puritatea aerului, regimul tehnologic,numarul de aprinderi etc.).
Între regimurile de debitare, aspectul suprafetelor taiate si verificarea lor în conformitate cu actele normative ce privesc calitatea taieturilor si defectele constatate exista anumite corelatii.
Pentru a verifica natura defectului si a cauzei care l-a generat s-au executat analize structurale prin microstructuri din probele rezultate dintr-un anumit regim de debitare.
Concluziile la care s-au ajuns, arata ca orice defectiune ce provine din geometria taieturii si din aspect, are un corespondent în analiza metalografica a microstructurii probei respective.Aceasta concluzie intareste justetea între prevederile actelor normative legate de calitatea taieturilor si regimul optim de debitare.Se poate afirma ca respectand regimul optim de debitare,în mod implicit sunt îndeplinite conditiile de calitate impuse si conditiile ce privesc analiza structurala a probelor.Exista totusi situatii în care este obligatoriu sa fie cunoscute si rezultatele analizelor structurale (Registrul naval,constructii aerospatiale,autorutiere s.a.).În cazul în care aceste analize nu corespund, obligatoriu trebuie sa se elaboreze alte tehnologii.
Microstructuri ale probelor prelevate din materialul de baza si din zona influientata termic a materialelor taiate
Din materialele taiate au fost prelevate probe ce contin zona influentata termic, cat si materialul neafectat de temperatura ridicata a jetului de plasma. Probele au fost slefuite si atacate cu reactiv „Kaling” apoi au fost supuse examinarii la microscop cu ordinul de marire „X100”, realizandu-se poze ale structurii cristaline. Microstructurile evidentiaza componentele structurale din zona influentata termic si din materialul neafectat de campul termic. Structura materialului de baza al probei nr. 1 este martensitica cu austenita aciculara si este prezentata în figura 29 (otel inoxidabil grosime 10 mm).
38
Figura 29 Structura materialului de baza: martensitica, cu austenita acicularaFigura 30 Structura zonei influentate termic: martensitica cu austenita fin globulizata
Structura zonei influentate termic a probei nr. 1 este martensitica, fin globulizata si este prezentata în figura 30
Structura materialului de baza al probei nr. 2 este martensitica cu austenita aciculara si este prezentata in figura 31 .
Structura zonei influentate termic a probei nr. 2 este martensitica, fin globulizata si este prezentata în figura 32.
Structura materialului de baza al probei nr. 3 este martensitica cu austenita aciculara si este prezentata în figura 33 (Taierile s-au realizat . cu 130 A si viteza 580 mm/min )
Figura 31 Structura materialului de baza: martensitica cu austenita acicularaFigura 32 Structura zonei influentate termic: martensitica cu austenita fin
globulizata
Figura 33 Structura materialului de baza: martensitica cu austenita aciculara
Figura 34 Structura zonei influentate termic: martensitica cu austenita fin globulizata
39
Structura zonei influentate termic a probei nr. 3 este martensitica, fin globulizata si este prezentata în figura 34.
Structura materialului de baza al probei nr. 4 este martensitica cu austenita aciculara si este prezentata în figura 35. (Probele s-au realizat cu curent = 130 A, viteza = 360 mm/ min ).
Figura 35 Structura materialului de baza: martensitica cu austenita aciculara
Figura 36 Structura zonei influentata termic: martensitica cu austenita fin globulizata
Structura zonei influentate termic a probei nr. 4 este martensitica, fin globulizata si este prezentata în figura 36.
Structura materialului de baza al probei nr. 5 este austenito-fenitica în benzi si este prezentata în figura 37 (curent de debitare 130 A, grosime 25 mm, viteza 260 mm/ min.)
Figura 37. Structura materialului de baza: austenito-feritica în benzi.Figura 38. Structura zonei influentate termic: structura austenito-feritica
de solidificare cu constituenti orientati în directia eliminarii fluxului termic.
nr. 5 este o structura austenito-feritica de solidificare cu constituenti orientati în directia eliminarii fluxului termic (figura 38).a) Pentru primele patru probe din otel inoxidabil, marca W4306 valorile duritatilor înregistrate pe materialul de baza sunt cele mai scazute – min. 190, max. 232 HV, cele masurate în zona de trecere au valori ceva mai ridicate – min. 210, max. 312 HV, iar în zona influentata termic sunt valorile cele mai mari justificate de structura martensitica rezultata dupa debitare. Aceste valori sunt cuprinse între 290 si 462 HV. Proba 4 taiata oxigaz cu pulbere de fier prezinta valorile cele mai ridicate ale duritatii în zona de trecere si în zona influentata termic.b) Pentru probele 5-6 din otel marca X3-CrNiMo 13/ 4 valorile minime ale duritatii se înregistreaza pe materialul de baza neafectat termic 152 – 168 HV, iar maximele în zona de trecere, 186 – 188
40
HV. Zona influentata termic sufera o scadere a duritatii, ea avand valori cuprinse între 169 si 176 HV. Aceasta scadere a duritatii se poate explica prin cresterea cantitatii de ferita în structura ferito-austenitica a zonei supusa topirii de jetul de plasma.c) Variatia latimii zonei influentate termicLatimea zonei influentata termic variaza pentru fiecare grosime de material în functie si de parametrii reglati pentru regimul de debitare. De asemenea, se remarca diferente ale latimii zonei influentate termic pe suprafata de intrare a jetului de plasma fata de partea opusa. Aceasta zona daca din punct de vedere tehnologic trebuie sa fie redusa sau sa nu existe deloc (de ex.în aeronautica, aerospatiale,s.a.), prelucrarea prin debitare termica cu plasma trebuie înlocuita cu alte procedee (laser,sau prelucrare mecanica). Valorile masurate în cadrul cercetarilor experimentale au fost executate pe probe din otel carbon sau inoxidabil si sunt prezentate într-o forma centralizata în tabelul 4, mentionandu-se si procedeul de debitare utilizat.
Tabelul 4 Variatia latimii zonei influentate termic ZIT
*S-a taiat cu oxigen si pulbere de fier ** Valoarea ZIT foarte mare
Variatia latimii zonei influentate termic pe cele doua suprafete – cea de intrare (superioara) a jetului de plasma, respectiv cea de iesire (inferioara) are drept cauza principala, scaderea energiei termice a jetului de plasma, pe masura ce creste distanta de la duza, la suprafata opusa a componentelor de taiat.
Defectele taieturilor rezultate în urma procesului de debitare cu plasma, au fost cauzate de reglarea incorecta a parametrilor regimului de debitare.Au rezultat urmatoarele tipuri de defecte:
defecte ale muchiei taieturii; defecte ale suprafetei taieturii; depuneri de zgura; fisuri; alte tipuri de defecte.
41
Din prima categorie fac parte abateri ale muchiei taieturii: rotunjiri, stropi, crestaturi, etc.Grupa defectelor suprafetei taieturii cuprinde:
neuniformitatile sau denivelarile reprezentate de scobituri ale muchiei, concavitatea profilului, abateri unghiulare si neuniformitati ale rostului de debitare; rizuri de diverse forme si profunzimi; cratere, capete netaiate; suprafete ondulate în plan longitudinal.
Depunerile de zgura pe muchia inferioara (bavura) sau pe suprafata taieturii (crusta) sunt defecte, ce se îndeparteaza cu dificultate.
Pe suprafata taiata pot sa apara micro si macrofisuri sau în zona influentata termic.Calitatea taieturii este caracterizata prin forma, netezimea suprafetelor si a muchiilor rezultate în
urma procesului de debitare.
Distanta generator-piesa nu poate fi redusa sub o anumit limita, dependenta de puterea Pe absorbita în arc. Limitarea apare datorita formarii arcului secundar, a actiunii radiatiilor termice asupra generatorului, etc.
S-a constatat ca unghiul φ de înclinatie a marginilor creste odata cu marirea vitezei de debitare Vp. Unghiul φ devine negativ daca viteza de debitare scade sub o anumita limita, sau cand continutul de hidrogen din amestecul gazului plasmagen H35 este prea mare. Prin cresterea puterii electrice absorbite Pe sau a debitului de gaz plasmagen, unghiul φ scade iar odata cu cresterea distantei generator – placa, unghiul φ creste.
Rotunjirea muchiilor a fost cauzata de o puternica insuficienta, de viteza de lucru prea mare sau o distanta excesiva între generator si placa. Prin reducerea vitezei de debitare s-a obtinut o ameliorare.
Gradul de neuniformitate privind rugozitatea suprafetelor taiate în general este mai mare pe una din laturi, datorita efectului de turbionare. Daca nu se include hidrogen în amestecul plasmagen (H35), suprafetele taieturilor vor prezenta striuri.
Bavuri si împroscari în cazul folosirii unei viteze de debitare prea mari, metalul topit s-a adunat pe partea inferioara a canalului taieturii, unde s-a sudat. Acest fapt impune prelucrari mecanice ulterioare, care maresc considerabil pretul de cost. Pentru a elimina acest neajuns, viteza de debitare trebuie redusa la valoarea Vp. La o distanta prea mare între generator si piesa sau a turbionarii prea puternice a gazului, crestaturile si împroscarile de metal topit au aparut si pe fata superioara ataieturii. În tabelul 5 sunt centralizate defectele rezultate în urma taierii probelor din otel inoxidabil.
Tabelul 5 Defectele ce au rezultat în urma procesului de debitare
42
Procedeele de debitare termica prezinta în general dezavantajul ca modifica structura si compozitia metalului în vecinatatea marginilor taiate. Zona influentata termica poate fi redusa prin cresterea vitezei de debitare, dar acest lucru poate provoca tensiuni interne relativ mari, care pot sa produca în unele cazuri fisurari la cald.
În cazul otelurilor inoxidabile austenitice (de exemplu CrNI 18/ 8) în urma taierii cu plasma, pe suprafetele taiate ramane un strat de metal topit avand o grosime de 0,01 - 0,02 mm. În cazul taierii cu oxigen si pulbere de fier, acest strat creste pana la 0,3 mm. Prin utilizarea hidrogenului, zona influentata termic se reduce de la 1,5 mm la numai 0,2 mm.
La debitarea otelurilor feritice, cu continut ridicat de crom, se obtine o zona influentata termic mult mai mare decat în cazul otelurilor inoxidabile. În urma taierii cu plasma se produce o calire a marginilor pana la 3 mm adancime.
Din analizele facute si concluziile ce se refera la calitatea taieturilor cu plasma de înalta performanta rezulta ca solutia ideala din punct de vedere a calitatii daca nu s-ar tine seama de costuri ar fi prelucrarile mecanice.În majoritatea cazurilor exigenta calitatii reglementata de norme face posibila ca si debitarea termica sa poata fi practicata în anumite limite.Daca aceste norme suntrespectate rezultatele economice sunt spectaculoase.Aceiasi piesa prelucrata prin debitare termica ajunge sa coste de 100 de ori mai putin fata de prelucrarea mecanica.Aceste economii au stat la baza dezvoltarii taierii cu plasma în general si de înalta definitie în special.Aceleiasi deziderate au stat si la baza dezvoltarii taierii cu fascicul laser care în domeniul grosimilor mici (sub 0,5 mm) este la nivelul prelucrarilor mecanice,dar cu mult mai ieftin.
43
5) Concluzii finale
Ca urmare a gradului foarte ridicat de automatizare a procesului de debitare cu plasma pe instalatiile de debitare cu comanda numerica se remarca urmatoarele: cresc vitezele de debitare; creste calitatea taieturii; scade latimea de taiere si marimea zonei influentate termic. Stabilirea regimului de debitare presupune determinarea urmatorilor parametri:- curentul arcului de plasma, Ip;- tensiunea arcului de plasma, Up;- viteza de taiere vt;- natura si debitul gazului plasmagen, Dgp.
Alegerea parametrilor se face în functie de instalatia utilizata, natura materialului ce urmeaza sa fie taiat si de grosimea materialului. Natura materialului influenteaza viteza de taiere; astfel la aceeasi grosime si aceeasi putere a arcului de plasma cuprul se taie cu viteza cea mai mica, otelurile cu viteza medie, iar aluminiul se taie cu cea mai mare viteza.
Marirea vitezei de taiere se poate realiza prin:- cresterea tensiunii arcului care se poate realiza prin folosirea amestecurilor de gaze biatomice – azot, hidrogen, oxigen, etc.- cresterea curentului de taiere, respectiv a densitatii de curent prin marirea gradului de concentrare a arcului de plasma; - reducerea latimii taieturii, prin cresterea concentrarii arcului;- cresterea randamentului arcului de plasma prin reducerea pierderilor si folosirea unor medii exoterme ceea ce duce la cresterea puterii.- curentul Ip si tensiunea Up determina împreuna puterea arcului de plasma Pp. Cresterea puterii se poate obtine prin marirea unuia sau a ambilor parametrii.
44
- cresterea gradului de strangulare al arcului de plasma este limitata de varianta constructiva a generatorului de plasma,precum si de procesul fizic care are loc în fanta de taiere.- valoarea tensiunii Ua este mai mare la gazele biatomice decat la cele monoatomice. Daca debitul de gaz plasmagen creste, va creste si tensiunea Ua,iar odata cu marirea grosimii materialului se alungeste coloana arcului, ceea ce are ca efect cresterea valorii lui Ua.- în cazul grosimilor mari, cresterea puterii arcului trebuie sa se realizeze atat pe seama cresterii lungimii arcului, cat si prin cresterea curentului de taiere Ip. La viteze de taiere prea mici, calitatea suprafetelor taiate se înrautateste, marindu-se totodata si latimea ZIT .
Calitatea corespunzatoare a taieturilor presupune asigurarea unui paralelism cat mai perfect al fetelor taieturii.
Odata cu cresterea vitezei de taiere pata anodica se plaseaza tot mai aproape de fata superioara a tablei si deci are loc o alungire a coloanei arcului în lungul taieturii. Prin marirea în continuare a vitezei, tabla va fi complet taiata. Se obtine o forma în V a taieturii, iar ameliorarea acesteia se poate face numai prin masuri constructive ale generatorului de plasma.
La viteze reduse, creste latimea taieturii precum si cantitatea de material topit. Se formeaza picaturi mari de metal care adera pe fata inferioara a taieturii, iar îndepartarea se poate realiza foarte greu. Prin cresterea vitezei de taiere, latimea de taiere scade, iar picaturile de metal topit devin mai fine. În acest fel se reduc bavurile pe partea inferioara a piesei. Este deosebit de dificila îndeplinirea simultana a conditiilor: paralelismul fetelor, lipsa bavurilor, rugozitate redusa si viteza marita.
În cazul unei viteze de taiere prea mari, pe partea inferioara a taieturii apare o zona în care metalul topit se solidifica si impune prelucrari ulterioare ceea ce mareste pretul de cost. Aparitia bavurilor se poate produce si din cauza cresterii concentratiei de hidrogen.
Existenta unei turbionari prea puternice a gazului plasmagen, sau a distantei prea mari între generator si tabla, produce crestaturi si împroscari de material topitpe fata superioara a suprafetelor taiate.
Unghiul de înclinare a marginilor creste odata cu marirea vitezei de taiere. Unghiul devine negativ daca viteza de taiere scade sub o anumita limita sau cand continutul de hidrogen din gazul plasmagen este prea mare. Prin cresterea puterii electrice absorbite Pe, sau a debitului de gaz plasmagen, unghiul de înclinare scade.
Natura gazului plasmagen – determina implicit cresterea vitezei de taiere. Concentrarea energetica marita se poate obtine prin folosirea hidrogenului în amestec cu argonul. Hidrogenul absoarbe o cantitate însemnata de energie pentru ionizare, ceea ce are un efect de racire asupra coloanei arcului de plasma. Arcul se contracta si energia specifica creste. Daca creste puterea absorbita de arc, concentrarea de energie scade iar debitarea unor grosimi mari de material esteimposibila. Rugozitatea suprafetelor taiate în majoritatea cazurilor este mai mare pe una din laturi.
Distanta generator – piesa, nu trebuie sa fie redusa sub o anumita limita considerata critica. La micsorarea excesiva a distantei, apare pericolul amorsarii arcelor electrice secundare si topirea sau arderea diuzei generatorului de plasma. Rezultatele experimentale prezentate în capitolul II pun în evidenta în cazul debitarii unor probe de diferite grosimi, felul în care parametrii principali ai
45
regimului de debitare, influenteaza calitatea si structura suprafetelor rezultate dupa debitare.
Din prezentarea facuta rezulta ca generatoarele de plasma din ultima generatie rezolva debitarea otelului carbon,inoxidabil si aluminiu,respectand prescriptiile actelor normative care privesc calitatea taieturilor.
Avantajele debitarii cu plasma a profilelor sunt urmatoarele :
precizie de ± 0,9..1,5 mm; viteze de taiere 250...1500mm/min; procedeu economic; calitate buna a suprafeţei taieturii; viteze mari de debitare deoarece energia dezvolataa de arcul de plasma este superioara celei de
la debitarea oxigaz; nu este necesara preîncalzirea materialului; tensiuni şi deformaţii mai mici decat la oxigaz productivitate buna; universalitate în aplicare; se pot taia toate materialele metalice.
Evolutia principiilor constructive a facut posibila reducerea pretului de cost specific, prin folosirea gazelor active în locul gazelor inerte si cresterea productivitatii ca urmare a cresterii vitezei de taiere;
În baza studiilor comparative a rezultat ca domeniul de grosimi a materialelor taiate cu plasma sa se suprapuna cu cele taiate cu laser,exceptie facand grosimile sub 0,5 mm care nu pot fi taiate decat cu laser;
Viteza mare de taiere cu plasma de oxigen a facut posibila ca prelucrarea cuplasma sa fie cu mult mai ieftina în comparatie cu prelucrarea cu laser.La acest lucru aavut o contributie importanta costurile ce privesc investitiile legate de instalatie, care încazul tehnologiei de taiere cu plasma sunt de cca 10 ori mai redus.
Principalele caracteristici ale procedeelor de debitare de tip HTPAC sunt: calitatea taieturii se situeaza între debitarea cu plasma clasica si debitarea
cu laser; viteza de debitare este echivalenta cu cea de la debitarea cu laser; cost inferior fata de debitarea cu laser; domeniul optim de grosimi este între 1,6 si 6,4 mm; masina de debitat trebuie sa fie de înalta precizie pentru a asigura
stabilitatea generatorului de plasma; debitarea da rezultate optime la aluminiu si oteluri carbon obisnuite;
46
noxe reduse.
6) Bibliografie
Prof. dr. ing. Gheorghe Amza – “Tehnologia Materialelor si produselor” vol 3, editura Printech , Bucuresti 2009Prof. dr. ing. Gheorghe Amza , As. Ing. Dan Nitoi, As. Ing. Claudia Borda, Conf. dr. ing. Marcel Plesca, Prep. Catalin Amza , « Aschierea si Microaschierea Materialelor”, Editura Bren, Bucuresti, 2000Gutt Gheorghe, Sonia - "TEHNOLOGII NECONVENTIONALE" Editura Tehnica, Bucuresti 1992Colt Jim Hy Definition Plasma Cutting Technology works,compared with conventional plasma.Rev.Welding Journal 1992Milos L. – “Taierea Termica”, Editura SEDONA,Bucuresti, 1996Salagean T, Vas A , Popovici D Plasma termica pentru taierea ,sudarea si acoperirea metalelor. Editura Academiei Romane 1989.Gladcov P., „Tehnologia prelucrarii materialelor”, vol.2, Ed. Univ.Politehnica, Bucureşti, 1997;Pumnea C.,ş.a., Tehnologie industriala”, vol.1 şi 2, Ed.Didactica şi Pedagogica, Bucureşti, 1992.
47